DE10236433A1 - Device for optically detecting liquid samples in droplet form formed discretely on planar substrate or in cavities of substrate comprises optical detector arranged in optical axis of light beam, and optical element - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Detektion diskret auf einem planaren Substrat oder in Kavitäten eines Substrates angeordneten flüssigen Proben in Tropfenform, wie sie in der chemischen oder biochemischen Analytik eingesetzt werden kann. Die Anwendung ist insbesondere dann geeignet, wenn nachfolgend zu analysierende Einzelproben diskret auf bzw. in Kavitäten eines Substrates mittels Laborautomaten plaziert worden sind.The invention relates to a device for optical detection discretely on a planar substrate or in cavities of a substrate arranged liquid Samples in the form of drops, as in the chemical or biochemical Analytics can be used. The application is special then suitable if individual samples to be analyzed subsequently are discreet on or in cavities of a substrate have been placed using laboratory machines.
Kommt es hierbei zu einer Fehlfunktion eines solchen Laborautomaten und einzelne flüssige Tropfen der Proben gelangen nicht auf eine bestimmte Position eines Substrates oder einzelne Kavitäten eines Substrates bleiben unbefüllt, führt dies zu fehlerhaften Analy seergebnissen, so dass zumindest die dann durchgeführte Analyse verworfen und eine erneute vollständige Durchführung erforderlich wird.If there is a malfunction of such a laboratory machine and individual liquid drops of the samples not to a specific position of a substrate or individual wells of a substrate remain unfilled, does this to incorrect analysis results, so that at least the analysis then carried out discarded and a new full implementation is required becomes.
So werden bei der Durchführung von Analysen standardisierte, sogenannte Mikrotiterplatten eingesetzt, die bis zu 1563 voneinander getrennte Proben mit einem jeweiligen Volumen von ca. 10 μl aufnehmen können. Eine visuelle Überprüfung der Befüllung solcher Mikrotiterplatten durch das Laborpersonal ist sehr aufwendig und insbesondere wegen der kleinen Gefäßquerschnitte, die kleiner als 2 mm2 sind und bei Gefäßtiefen bis zu 10 mm liegen, können auch bei einer solchen rein visuellen Überprüfung der vollständigen Befüllung Fehler durch das Laborpersonal auftreten.For example, standardized, so-called microtitre plates are used when carrying out analyzes, which can hold up to 1563 separate samples with a respective volume of approx. 10 μl. A visual inspection of the filling of such microtiter plates by the laboratory staff is very complex and in particular because of the small cross-sections of the vessel, which are smaller than 2 mm 2 and are at tube depths of up to 10 mm, errors can also be caused by such a purely visual inspection of the complete filling Laboratory personnel occur.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit zu schaffen, mit der auf einem planaren Substrat oder in Kavitäten eines Substrates angeordnete flüssige Proben in Tropfenform detektiert und die Befüllungen einfach und sicher unter Ausschluß menschlichen Versagens detektiert werden können.It is therefore an object of the invention a possibility to create with a on a planar substrate or in cavities Liquid arranged substrate Drop-shaped samples are detected and the fillings are simple and safe excluding human Failure can be detected.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisenden Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved with a solved the features of claim 1 having device. advantageous Embodiments and developments of the invention can with the in the subordinate claims mentioned features can be achieved.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können flüssige Proben, die in Tropfenform auf einem planaren Substrat, beispielsweise einer Glas- oder Kunststoffplatte aufgesetzt worden sind, aber auch die Befüllung von Kavitäten solcher Substrate, wie dies die bereits erwähnten Mikrotiterplatten sind, detektiert werden.With the device according to the invention can liquid Samples in drop form on a planar substrate, for example a glass or plastic plate, but also the filling of cavities such substrates, such as the microtiter plates already mentioned, can be detected.
Dabei ist es günstig, wenn die jeweiligen tropfenförmigen flüssigen Proben in regelmäßigen Abständen mit den an sich bekannten Laborautomaten entsprechend auf bzw. im Substrat und keinen unmittelbaren Kontakt miteinander aufweisenden tropfenförmigen Proben angeordnet worden sind.It is advantageous if the respective drop-shaped liquid samples at regular intervals with corresponding to the known laboratory machines on or in the substrate and no direct contact with drop-shaped samples have been ordered.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet dabei mindestens eine Lichtquelle, die paralleles Licht, zumindest jedoch mit geringer Divergenz behaftete Lichtstrahlung parallel zur Substratebene, in der die tropfenförmigen flüssigen Proben angeordnet sind, auf mindestens ein optisches Element richtet. Dieses optische Element weist eine reflektierende Fläche auf, von der das Licht der einen bzw. mehreren Lichtquelle(n) orthogonal in Richtung auf die Substratebene reflektiert wird. Oberhalb des Substrates ist mindestens ein optischer Detektor in der optischen Achse des orthogonal auf die Substratebene gerichteten Lichtes angeordnet, mit dem von der Substratebene oder dort angeordneten tropfenförmigen flüssigen Proben reflektiertes Licht detektiert werden kann.The device according to the invention uses at least one light source, the parallel light, at least however light radiation with low divergence parallel to the substrate plane, in which the teardrop-shaped liquid Samples are arranged, aimed at at least one optical element. This optical element has a reflective surface from which the light of the one or more light source (s) orthogonally in the direction of the substrate plane is reflected. Is above the substrate at least one optical detector in the optical axis of the orthogonal arranged light directed at the substrate level, with the of the substrate level or drop-shaped liquid samples arranged there reflected light can be detected.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können das optische Element mit dem mindestens einem optischen Detektor und das jeweilige Substrat relativ zueinander bewegt werden.In the device according to the invention can the optical element with the at least one optical detector and the respective substrate are moved relative to one another.
Mit der Erfindung kann die unterschiedliche Reflexion des mittels des optischen Elementes auf die Oberfläche und orthogonal zur jeweiligen Substratebene gerichteten Lichtes genutzt werden. So ist die Oberfläche der tropfenförmigen diskret angeordneten flüssigen Einzelproben zumindest in Bereichen, auf die das vom optischen Element reflektierte Licht auftrifft, konkav oder konvex gewölbt, so dass von dort reflektiertes Licht nicht oder nur teilweise auf den mindestens einen optischen Detektor auftreffen kann und demzufolge die mit dem mindestens einen optischen Detektor erfassbare Lichtintensität gegenüber einer planaren Fläche, von der das auftreffende Licht nahezu vollständig in Richtung auf den mindestens einen optischen Detektor zurückreflektiert wird, deutlich reduziert ist. Solche planaren Flächen sind beispielsweise Flächenbereiche eines planaren Substrates, auf denen keine tropfenförmigen flüssigen Proben diskret aufgesetzt worden sind oder die Böden von unbefüllten Kavitäten eines entsprechend ausgebildeten Substrates.With the invention, the different reflection by means of the optical element on the surface and light directed orthogonally to the respective substrate plane become. That's the surface the drop-shaped discretely arranged liquid Incremental samples at least in areas on which the optical element reflected light hits, concave or convex, so that light reflected from there is not or only partially reflected on the can hit at least one optical detector and consequently the light intensity that can be detected with the at least one optical detector compared to a planar surface, from which the incident light almost completely towards the least an optical detector reflected back is significantly reduced. Such planar surfaces are, for example, surface areas a planar substrate, on which no drop-shaped liquid samples have been placed discreetly or the bottoms of unfilled cavities appropriately trained substrate.
Als optische Elemente, mit denen das Licht der einen oder auch mehreren Lichtquelle(n) orthogonal auf die Substratebene reflektiert werden kann, können beispielsweise halbdurchlässige Spiegel oder auch Interferenzfilter sein.As optical elements with which the light of the one or more light source (s) is orthogonal can be reflected onto the substrate plane, for example semi-transparent mirrors or also be interference filters.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn für das in Richtung auf den einen oder auch mehrere optische Detektoren reflektierte Licht zwischen dem optischen Element und den jeweiligen optischen Detektoren eine optische Blende oder eine abbildende Optik angeordnet wird. So kann gesichert werden, dass den jeweiligen optischen Detektor nahezu ausschließlich orthogonal aus der Substratebene rückreflektiertes Licht erreicht und in andere Richtungen reflektiertes Licht oder Streulicht gesperrt werden kann.It is also advantageous if for that towards one or more optical detectors reflected light between the optical element and each optical detectors an optical aperture or imaging optics is arranged. This ensures that the respective optical Detector almost exclusively orthogonal light reflected back from the substrate level reached and light or stray light reflected in other directions can be locked.
So können als abbildende Optiken lineare Objektive eingesetzt werden, wie sie an sich bekannt und relativ kostengünstig erhältlich sind.So as imaging optics linear lenses are used, as they are known and relatively inexpensive available are.
Um zu sichern, dass das Licht der Lichtquelle(n) parallel bzw. mit mindestens sehr geringer Divergenz und parallel zur jeweiligen Substratebene abgestrahlt wird, ist es günstig, zwischen Lichtquelle(n) und optischem Element optische Blenden oder eine Kondensoroptik anzuordnen.To ensure that the light from the light source (s) is parallel or with at least a very low Di vergence and is emitted parallel to the respective substrate plane, it is favorable to arrange optical diaphragms or condenser optics between the light source (s) and the optical element.
Insbesondere zur Verkürzung des Detektionsprozesses und für die Vereinfachung der für die Detektion der einzelnen diskret angeordneten tropfenförmigen Proben erforderlichen Relativbewegung von Substrat und der Einheit optisches Element mit optischem Detektor en) sollten mehrere Lichtquellen, beispielsweise Leuchtdioden parallel in einer Reihe angeordnet sein. So können diese einzelnen Lichtquellen jeweils einer Reihe bzw. Spalten von Kavitäten einer Mikrotiterplatte oder auf einem planaren Substrat entsprechend in Reihen bzw. Spalten angeordneten, dort abgelegten einzelnen Probentropfen zugeordnet angeordnet werden. Dadurch kann die erforderliche Relativbewegung lediglich entlang einer Achse durchgeführt werden und so eine sukzessive, reihenweise Detektion von in Achsrichtung nacheinander angeordneten Reihen von tropfenförmigen Proben durchgeführt werden. Dadurch kann der manipulations- und anlagentechnische Aufwand deutlich reduziert werden.In particular to shorten the Detection process and for simplifying for the detection of the individual discretely arranged drop-shaped samples required relative movement of the substrate and the optical unit Element with optical detector (s) should have multiple light sources, for example Light-emitting diodes can be arranged in parallel in a row. So can this individual light sources in each case one row or columns of cavities one Microtiter plate or on a planar substrate accordingly in Rows or columns arranged and assigned to individual sample drops stored there to be ordered. This allows the required relative movement can only be carried out along one axis and thus successively, in rows Detection of rows of successively arranged in the axial direction teardrop-shaped samples carried out become. As a result, the manipulation and plant engineering effort be significantly reduced.
Analog zur Anordnung der Lichtquellen in Reihe können aber auch mehrere optische Detektoren in einer entsprechenden Reihenanordnung eingesetzt werden, die die jeweiligen Anordnungen der Lichtquellen genauso wie die Anordnung der Kavitäten oder der auf einem planaren Substrat abgesetzten einzelnen tropfenförmigen Proben berücksichtigt.Analogous to the arrangement of the light sources can in series but also several optical detectors in a corresponding row arrangement be used, the respective arrangements of the light sources just like the arrangement of the cavities or that on a planar Individual droplet-shaped samples deposited in the substrate are considered.
Für den Fall, dass lediglich eine Lichtquelle und ein einzelner optischer Detektor bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden, ist es erforderlich eine entsprechende Bewegung in zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Achsen vorzunehmen und die Detektion in Form eines entsprechenden Rasters einzeln für die diskret angeordneten flüssigen Proben vorzunehmen.For the case that only one light source and a single optical Detector in a device according to the invention appropriate movement is required in two orthogonally aligned axes and the detection in the form of a corresponding grid individually for the discrete arranged liquid Make samples.
Für eine Auswertung sollten der oder auch die mehreren optische(n) Detektor(en) an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen sein. Im einfachsten Fall kann dann die jeweils mit den optischen Detektoren gemessene Lichtintensität mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden. Wird bei diesem Vergleich eine Überschreitung des Schwellwertes festgestellt, kann davon ausgegangen werden, dass in diesem Bereich des jeweiligen Substrates kein flüssiger Probentropfen vorhanden ist.For an evaluation should be made by the one or more optical detector (s) be connected to an electronic evaluation unit. In the simplest The case can then be the one measured with the optical detectors Light intensity can be compared with a predetermined threshold value. Will this Compare an overshoot of the threshold value can be assumed that no liquid sample drops in this area of the respective substrate is available.
Dabei sollte insbesondere in diesem Fall eine ortsaufgelöste Bestimmung mit Hilfe von Positionssensoren, die ebenfalls an die elektronische Auswerteeinheit angeschlossen sind, durchgeführt werden. Dadurch kann ausgeschlossen werden, dass Flächenbereiche des jeweiligen Substrates, in denen keine flüssigen Proben in Tropfenform angeordnet sein sollten, als Fehler detektiert werden.In particular, this should Case a spatially resolved Determination with the help of position sensors, which are also connected to the electronic evaluation unit are connected. This can rule out that surface areas of the respective Substrates in which no liquid Samples in droplet form should be arranged as errors detected become.
Günstiger ist es, eine elektronische Bildverarbeitungseinheit einzusetzen, die Bestandteil der elektronischen Auswerteeinheit sein kann. Mit einer solchen elektronischen Bildverarbeitung kann eine Detektion und die Erstellung eines Abbildes der gesamten Substratfläche durchgeführt und dabei gegebenenfalls auch auf eine ortsaufgelöste Detektion mit Hilfe von Positionssensoren bzw. der Daten einer elektronischen Steuerung für die Relativbewegung verzichtet werden. Insbesondere bei einer einachsigen Relativbewegung kann ein solcher Positionssensor ein Wegsensor sein.better is to use an electronic image processing unit which can be part of the electronic evaluation unit. With Such electronic image processing can be used for detection and the creation of an image of the entire substrate area is carried out and if necessary, also to a spatially resolved detection with the help of position sensors or the data of an electronic control for the relative movement become. In particular with a uniaxial relative movement such a position sensor can be a displacement sensor.
Zur Reduzierung unerwünschter Streulichteinflüsse kann ein zusätzliches reflektierendes Element im Anschluss an das optische Element angeordnet werden. Mit einem solchen reflektierenden Element, dessen reflektierende Fläche in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtet ist, kann Licht der Lichtquelle(n), das durch das optische Element hindurchtreten kann, in eine bestimmte für die Detektion unkritische Richtung reflektiert werden. So sollte die reflektierende Fläche in einem Winkel von ca. 45° geneigt sein, so dass das auftreffende Licht orthogonal entgegengesetzt zur Richtung, in der die Substratebene angeordnet ist, von diesem weg reflektiert werden kann. Insbesondere wird so die Rückreflexion von Licht auf das optische Element vermieden.To reduce unwanted Stray light influences can be an additional reflective element arranged after the optical element become. With such a reflective element, its reflective area in an oblique inclined angle, light from the light source (s), that can pass through the optical element into a certain one for the Detection non-critical direction can be reflected. So it should reflective surface inclined at an angle of approx. 45 ° be so that the incident light is orthogonally opposite from the direction in which the substrate plane is arranged can be reflected away. In particular, the back reflection avoided by light on the optical element.
Die Lichtquelle oder auch nachfolgend angeordnete strahlformende optische Elemente sollten möglichst garantieren, dass jeweils ausreichend große Flächenbereiche des Substrates mit vom optischen Element reflektiertem Licht bestrahlt werden können. So kann beispielsweise ein kreisrunder Strahlquerschnitt zumindest die Größe einer flüssigen Probe in Tropfenform auf einem planaren Substrat oder entsprechend der Größe des freien Querschnitts von einzelnen Kavitäten eines entsprechenden Substrates aufweisen.The light source or subsequently arranged beam-shaping optical elements should be as possible guarantee that each sufficiently large surface areas of the substrate can be irradiated with light reflected by the optical element. So can, for example, at least have a circular beam cross section the size of one liquid Sample in drop form on a planar substrate or equivalent the size of the free Cross section of individual cavities have a corresponding substrate.
In ähnlicher Weise sollten die Abbildungen von aus der Substratebene reflektierten Lichtes auch diese Größenverhältnisse bei Auftreffen auf den jeweiligen optischen Detektoren aufweisen.Similarly, the Images of light reflected from the substrate plane also include this proportions when striking the respective optical detectors.
Insbesondere, wenn Leuchtdioden oder andere Lichtquellen, die Licht in einem relativ eng begrenzten Wellenlängenbereich abstrahlen, eingesetzt werden, ist es vorteilhaft als optische Elemente Interferenzfilter oder transparente Substrate, die mit einem dielektrischen Filterschichtsystem versehen sind, einzusetzen, wobei diese auf den jeweiligen Wellenlängenbereich abgestimmt sein sollten.Especially when LEDs or other light sources that emit light in a relatively narrow range of wavelengths emit, it is advantageous as an optical element interference filter or transparent substrates using a dielectric filter layer system are provided, to be used, these on the respective wavelength range should be coordinated.
Dadurch kann die Selektivität weiter erhöht werden, da die Reflexion und Transmission des auf die entsprechenden Flächen des Elementes auftreffenden Lichtes auf die jeweilige reflektierende Fläche des optischen Elementes einfallswinkelselektiv ist.This can further increase the selectivity increase, since the reflection and transmission of the on the corresponding surfaces of the Element of incident light on the respective reflective Area of optical element is angle of incidence selective.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by way of example.
Dabei zeigen:Show:
Die in
Die optischen Komponenten sind dabei
innerhalb eines Gehäuses
Mittels in Reihe angeordneter Lichtquellen
Im Strahlengang des von den Lichtquellen
Von der Oberfläche des Substrates
Insbesondere beim Einsatz monochromatischer
Lichtquellen
Zwischen optischem Element
Beim in
Im Anschluss an das optische Element
Die für die Detektion der einzelnen
diskret angeordneten flüssigen
Proben in Tropfenform erforderliche Relativbewegung kann in einfacher
Form durch eine translatorische Bewegung des Substrates
Es besteht aber auch die Möglichkeit,
das Gehäuse
Theoretisch würde aber auch eine Detektion mit
ausreichender Messgenauigkeit durchgeführt werden können, wenn
die Lichtquellen
In
Auch hier wurde wieder eine Reihenanordnung
von Lichtquellen
Das von parallel zur Substratebene
ausgerichteten Flächen
reflektierte Licht ist wiederum orthogonal zur Substratebene ausgerichtet,
gelangt in dieser optischen Achse durch das optische Element
Auf einem so erfassten Bild sind
die detektierten tropfenförmigen
flüssigen
Proben sehr deutlich als dunkle Kreise erkennbar. Mittels einer
entsprechend geeigneten Bildverarbeitungssoftware kann eine elektronische
Auswertung der vollständigen
Befüllung
von Mikrotiterplatten durchgeführt
werden. Es ist aber auch möglich,
die Ortskoordinaten von Fehlbefüllungen
zu bestimmen und nachfolgend zu berücksichtigen Die Bewegung des
Substrates
Es besteht aber auch die Möglichkeit,
den elektronisch gesteuerten Antrieb
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2002136433 DE10236433A1 (en) | 2002-08-06 | 2002-08-06 | Device for optically detecting liquid samples in droplet form formed discretely on planar substrate or in cavities of substrate comprises optical detector arranged in optical axis of light beam, and optical element |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |